《1.1_3_2 电路交换、报文交换、分组交换的性能分析|精讲篇》

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电路交换、报文交换、分组交换对比分析

一、电路交换

（一）基本原理

通过建立物理线路连接实现通信，过程包括：

1. 建立连接：主叫端向被叫端发送请求，逐节点建立专用物理通路，各节点处理连接需耗时（如交换机建立连接耗时1ms）。
2. 通信：通信期间独占端到端线路资源，数据直达传输。
3. 释放连接：通信结束后逐节点拆除连接。
   我们会用这种图来具体分析每一种交换方式，它在每一个时刻发生了什么事情？
   那在计算机网络这门课当中，这种风格的图示是很重要很常见的，也有助于我们解决真题（课本上也有这三个图，分别对应电路交换、报文交换和分组交换）。

《计算机网络》中还会出现很多类似这种风格的图示。另一方面，这种画图方法也有助于我们解决某一些真题，某一些课后习题。

假设计算机A需要通过中间节点B和C与计算机D建立连接，在连接建立完成后，将采用电路交换方式传输报文数据。

纵轴表示的是时间t递增的方向，设每个小格代表1毫秒（ms）的时间间隔。
横向来看，这张图有A、B、C、D这样的四根线，这四条竖线分别对应了A、B、C、D四个结点。电路交换的第一步是建立连接，首先A计算机需要向B交换机发出建立连接的请求。

（二）性能参数（案例）

• 报文大小：4KB。
• 数据传输速率：0.5KB/ms，发送4KB报文需8ms。
• 传播时延：每跳1ms（如A→B、B→C、C→D各需1ms）。
• 节点处理时延：
  • 交换机建立/释放连接耗时1ms。
  • 接收方（如D节点）处理连接请求需2ms。

信号在线路上传输是需要一定的时间消耗的，假设信号从A点传输到B点（即跳到下一个位置）需要1毫秒。如图所示，AB之间的箭头表示A向B发送的建立连接请求信号。这条箭头呈斜向下的走向。观察可知，箭头的起点与终点在纵向上相隔一个小格，而每个小格代表1毫秒的时间间隔，所以经过1ms之后A发出的信号到达B。B电路交换机接收到请求连接的信号后，需要在交换机内部建立一条通信线路，这条通信线路的建立，也需要消耗一定的时间。假设交换机建立连接的耗时=1ms，B电路交换机接收到信号后等待1ms，才向下一跳（C电路交换机）继续发送请求连接的信号。中间等待的这一个小格子（即1ms）是用来建立交换机内部的连接的。再往后的过程类似，从B到C交换机也需要发送一个信号，请求连接的信号也需要1ms的时间才可以被C电路交换机所接收。当C节点接收到B发来的请求连接信号后。同样，也需要在交换机内部建立连接耗时1ms。C节点，它接收到B发来的连接请求后，经过了1ms的处理（即一个纵向的小格子）。然后才会从C向下一个节点D发出请求连接的信号。后面类似，C到D也需要1ms。D接收到请求连接的信号后，也需要对信号做一定的处理。假设接收方处理连接请求需要2ms。D接收到信号后，反映了2ms才会给A发送应答信号，此时D和A之间已经建立好了物理的线路连接，所以D节点给A节点返回应答信号时，应答信号可以顺着电路很快的传回到A点。那由于信号每一跳传播时延是1ms，所以D节点给a节返回应答信号时。首先，经过了1ms到达了C，从C再经过1ms又到达了B，从B又经过1ms到达了A。A节点在这个时刻接收到应答信号后说明连接已经建立好了。所以从这个时刻开始A节点可以开始向D个节点发送报文。整个报文的大小是4 kb，而A节点往线路上发送数据的数据传输率=0.5kb/ms。所以4kb大小的报文以这种速度发送到线路上需要8ms（=4/0.5）。因此可以看到a结点的这个位置。
大家可以数一下啊，总共有八个小格子，对应的是8ms。8ms之内A一直往B发送报文数据每毫秒可以发送0.5kb。那最上面的这条线表示的是发送报文的第1个bit，中间的一个过程。那我们知道1个bit从A传送到B，中间需要经过1ms的传播时延。而B传到C，C传到D，中间又需要1ms的传播时延。所以你会看到豹纹的第1个bi从A传送到B刚好经过了1ms。在图中对应了纵向小格子的一格。同样，数据从B发送到C，中间也经过了1ms。数据从C发送到D，中间也经过了1ms。所以第1个bit的数据经过了3ms后从A到达了D。在接下来的8个ms内，数据会不断的从A发送到D？直到第8ms，最后1个bit从A发送到D为止。从报文开始传输的时间点算起，一直到整个报文都被D结点接收，总共消耗的时间为8+3=11ms完成了报文从A到D的传输工作。当A节点发送完整个报文后，就开始释放连接，释放连接的过程与建立连接的过程类似。a通知b释放连接需要经过1ms。所以这个箭头从A指向B中间经过了1ms。b节点断开中间这条线路，也需要耗费1ms。接着B还需要向C发出断开连接的信号c又向d发出断开连接的这种信号。那后面这些箭头的含义都是类似的，
注：当传输完报文的最后1个bit后。事实上A节点就可以向B节点、C节点和D节点发出释放连接的信号。所以其实这个箭头它可以无限的靠近报文的底部这根线，只不过如果把这根箭头画到这个位置，那可能会和上面这个图发生重合，导致大家看不到这个箭头，所以我就把它们俩之间画出了一些距离。好，那这是用电路交换传送一个报文的过程。
在传送报文的整个过程中，数据是从A节点直送到D节点，中间经过了一条物理线路。

从一个节点将报文转发到下一节点所需要的耗时，就至少需要八毫秒的时间。 报文从A发送到B，A节点把报文数据全部发送到线路上总共需要8ms（=4/0.5），第1个bit从A点传送到B点，总共需要1ms。这是线路传输所需要的一个传播时延（每一条传播时延），所以数据从A点发出被B点接收经过1ms，对应纵向的一个小格子，经过8ms后A已经把所有数据都发送到这条线路上了。到第9ms，即这个位置B节点接收到了整个报文的数据，接下来B节点需要对他接收到的报文进行处理（检查报文的控制信息决定报文的下一跳，应该发送到哪个节点），那B节点对报文的处理称为存储转发时延，需要消耗2ms
B节点接收到整个报文后，经过了2ms的处理，就可以把报文发给下一个节点C。同样，整个报文的发送需要8ms，而报文中的每一个bit数据从B到达C都需要消耗1ms。同样的道理，C节点在这个时刻接收到整个报文，也需要经过2ms的存储转发时延才可以确定这个报文接下来应该传送到哪个位置，C节点就可以把报文发给B节点，整个报文发送的时间也需要经过8ms。并且报文当中的每1个bit，从C点到达D点，都需要经过1ms。使用报文交换的方式从A节点开始发送数据到D节点接收到所有数据，整个过程总共经过了29个小格子，即29毫秒。

把一个4kb的报文拆分成四个大小为1kb的更小的分组。在数据传输速率不变的情况下，每一个分组被发送到线路上需要的时间就只需2ms(每毫秒0.5kb，1 kb的分组需要2ms)A节点把第一个分组转发给B节点，整个分组的大小是1 kb。把整个分组发送到传输线路上，总共需要消耗2ms对应纵向的两个小格子。分组一的每一个比特从A节点传送到B节点都需要消耗1ms。所以画分组的示意图时候，都是斜着往右的，且倾斜度刚好对应纵向的一小格，即1ms。那么B节点在这个时刻接收到分组一后，需要对分组一进行处理。由于分组的大小比报文更小，所以对分组的存储转发处理会比对报文的存储转发处理更快一些。假设
所以这地方中间空了0.5个小格子。也就是对应0.5ms的分组存储转发时延。经过0,.5s后B节点就可以把分组一发送到下一个节点C，与此同时B节点也可以继续接收来自于A节点的下一个分组。A节点给B节点发送这些分组中间只需要间隔零点五毫秒。
即确保B节点已经把上一个分组能够处理完，就可以紧接着给他发下一个分组的数据。后面这些分组转发原理类似，B节点给C节点转发这些分组也遵循同样的规则，用2ms把一个分组传送到B和C的这条线路上。然后中间间隔0.5ms，让C节点有时间处理刚收到的分组，紧接着就可以继续给c节点发送下一个分组。
采用分组交换的方式，完成整个报文的数据传输。从开始到结束，总共花费了17.5ms
对三种交换方式的数据传输效率进行一个对比：
从a开始数据传送一直到D完成所有数据的接收
如果采用电路交换的方式，需要消耗11ms。
如果采用报文交换的方式，需要消耗29ms。
如果采用分组交换的方式，需要消耗17.5ms。

（由于报文的信息量大，所以存储转发一个报文需要的时间消耗就会更高）

（三）耗时计算

• 建立连接：
  • A→B（请求）：传播时延1ms + B处理1ms = 2ms。
  • B→C（请求）：传播时延1ms + C处理1ms = 2ms。
  • C→D（请求）：传播时延1ms + D处理2ms = 3ms。
  • D→A（应答）：传播时延3跳×1ms = 3ms。
  • 总计：2+2+3+3=10ms。
• 数据传输：发送8ms + 传播时延3ms（A→D）= 11ms。
• 释放连接：类似建立过程，逐节点拆除，耗时约10ms（案例未详细计算，需根据实际流程推导）。

（四）优缺点

• 优点：
  • 数据直送，传输速率高。
  • 通信期间线路专用，时延稳定，适合实时业务（如语音通话）。
• 缺点：
  • 建立/释放连接耗时高。
  • 线路独占，利用率低，不适合突发式数据传输（如计算机网络）。
  • 不支持差错控制。

二、报文交换

（一）基本原理

基于存储转发机制，无需建立连接。发送方将数据封装为报文（含用户数据+控制信息），中间节点接收完整报文后，根据目的地址转发至下一跳。

（二）性能参数（案例）

• 报文大小：4KB。
• 数据传输速率：0.5KB/ms，发送4KB报文需8ms。
• 传播时延：每跳1ms。
• 存储转发时延：每个节点处理报文需2ms（解析控制信息、确定下一跳）。

（三）耗时计算

• A→B：
  • 发送报文：8ms。
  • 传播时延：1ms，B在第9ms接收完整报文。
  • B处理：2ms，第11ms开始转发。
• B→C：
  • 发送报文：8ms（第11-19ms）。
  • 传播时延：1ms，C在第20ms接收完整报文。
  • C处理：2ms，第22ms开始转发。
• C→D：
  • 发送报文：8ms（第22-30ms）。
  • 传播时延：1ms，D在第31ms接收完整报文。
• 总计：31ms（案例中描述为29ms，可能含简化处理）。

（四）优缺点

• 优点：
  • 无需建立连接，启动快。
  • 线路动态分配，利用率高于电路交换。
  • 支持差错控制（通过校验技术）。
• 缺点：
  • 长报文存储转发时延大，缓存开销高。
  • 报文不定长，管理复杂，重传代价高。

三、分组交换

（一）基本原理

将大报文拆分为固定长度的分组（如1KB/分组），每个分组独立存储转发。分组含首部（源地址、目的地址、分组号等），支持流水线传输（前一分组转发后，后一分组可立即发送）。

（二）性能参数（案例）

• 报文大小：4KB，拆分为4个1KB分组。
• 数据传输速率：0.5KB/ms，发送1KB分组需2ms。
• 传播时延：每跳1ms。
• 存储转发时延：每个分组处理需0.5ms（因分组更小，处理更快）。

（三）耗时计算（以4个分组为例）

• A→B：
  • 分组1发送：2ms（第0-2ms）。
  • 传播时延1ms，B在第3ms接收分组1，处理0.5ms后，第3.5ms开始转发。
  • 分组2-4发送：A每2ms发送一个分组，依次在第2-4ms（分组2）、4-6ms（分组3）、6-8ms（分组4）发送。
• 流水线传输：
  • B在转发分组1后（3.5ms），可立即接收分组2（A在2ms发送，传播1ms后，B在3ms开始接收分组2，与分组1处理重叠）。
  • 类似地，各节点对后续分组的处理可与前一分组转发重叠，大幅减少总时延。
• 总耗时：约17.5ms（通过图示数格子得出，含所有分组传输、传播及时延）。

（四）优缺点

• 优点：
  • 无需建立连接，启动快。
  • 分组定长，存储转发效率高，缓存开销低。
  • 支持流水线传输，时延低于报文交换。
  • 线路利用率高，适合突发数据。
• 缺点：
  • 分组首部增加控制信息开销（如源/目地址、分组号）。
  • 可能出现分组失序、丢失，需额外处理（如排序、重传）。
  • 仍存在存储转发时延（虽低于报文交换，但高于电路交换）。

四、三种交换方式对比表格

维度	电路交换	报文交换	分组交换
完成传输时间	最少（排除建连耗时）	最多	较少
存储转发时延	无	高	低
是否需建连	是	否	否
缓存开销	无	高	低
支持差错控制	不支持	支持	支持
报文有序到达	是	是	否（可能失序）
控制信息开销	无	有（较低）	有（占比最大）
线路利用率	低	高	非常高
适用场景	低频次、大量数据（如传统电话）	早期电报网络	现代计算机网络（如互联网）

五、关键结论

1. 时延对比：电路交换（仅传播时延）< 分组交换（存储转发+传播）< 报文交换（长存储转发+传播）。
2. 效率与灵活性：分组交换综合性能更优，平衡了时延、利用率和管理复杂度，成为计算机网络主流技术。
3. 核心差异：电路交换依赖物理连接，报文/分组交换基于存储转发，分组交换通过拆包进一步优化效率。